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        智慧城市與大地圖

       “無三維，不智慧”這句話并不代表“有三維就大智慧”了，這樣顯然是不對的，起碼目前GIS的肩膀還是太單薄。要做到智慧就必需有一個擁有上帝視角的“城市大腦”，這也是目前行業(yè)巨頭阿里巴巴在做的事情，這是他們擅長的領域。對于GIS來說我們在整個產業(yè)中處于什么樣的位置呢？根據國家的相關文件精神以及實際生產中自然形成的分工來看，GIS在這場變革中更多承擔著城市基礎“底板”這樣的角色。要弄清楚何為“底板”以及我們需要什么樣的“底板”，就需要回歸到智慧城市的目標上來，拋開各種文件上以及網絡上一些書面文字的解釋，我們可以將這一目標理解為——以人為本，服務管理，服務民眾。智慧城市建設是一場自上而下的運動，是城市管理者精細化城市管理的需求，同時也是民眾對于擁有美好生活的需求。那么我們城市管理的要素包含哪些呢，總的來說是“人，地，事，物，情，組織”，要通過一個形式將這些數據全部組織起來，那“地圖”一定會是一個非常不錯的選擇，而這張“大地圖”應該就這個城市的基礎數據“底板”。

        這張“大地圖”的建設歷史悠久，從“地理空間框架”，“數字共享平臺”再到如今的“時空大數據平臺”，這個探索從未停止過，但是總體的內涵是一致的，就是“做好空間數據”、“用好空間數據”。那么什么樣的空間數據才是“好”呢？我們知道地圖的價值在于幫助我們探索客觀世界，從最早的“象形符號”，“紙質地圖”，“4D產品”，“全景照片”以及現在的“三維地圖”，從制圖的手段上看是越來越復雜了，但是從受眾的角度來看就是地物越來越具象，交互越來越傻瓜。

       隨著現在大數據、IoT物聯(lián)網以及AI的發(fā)展，數據量越來越大，數據粒度越來越細，城市管理的手段也是從粗放到精細，這種精細的數據現狀和管理模式與現有的傳統(tǒng)地圖表達手段是沖突的，直接的體現就是公安牽頭的“X標X實”或者城市管理的“塊數據”模式、“網格模式”，這些模式本質上是對傳統(tǒng)地理實體的一種補充，傳統(tǒng)的地理實體管不到網格也管不到戶，缺少業(yè)務實體的概念，從這個角度而言就需要對地圖進行數據升維，從二維到三維，從固定的地理對象到可擴展的業(yè)務實體，從室外建筑到室內分層到戶，從靜態(tài)數據到實時大數據，在“智慧城市”這輪變革中，測繪地理信息需要從數據生產、平臺建設以及應用設計三個維度全面擁抱三維，這樣才能保證GIS這張“空間底板”能夠服務好整個智慧城市建設。

        02

        三維數據生產

       目前主流的三維數據生產包括一下三種方式：人工建模、傾斜建模以及BIM。當然還有很多種其他類型的建模方式，這邊只列舉本人接觸的生產環(huán)節(jié)種應用比較多的三種方法（比如南師大閭老師團隊的“基于CAD的自動化建模”也是一種比較超前的手段，也有了小范圍的應用案例，希望以后大有作為）。人工建模主要針對小范圍、對模型細節(jié)要求比較高得需求，建模周期一般為一平方公里/1人周；傾斜建模已經是目前測繪領域非常普遍得一種大范圍、快速得數據采集手段，主要面向對大規(guī)模數據生產得需求；這兩年BIM也逐漸開始和GIS進行融合，作為一種三維數據的來源，這樣可以最大程度上重用現有建筑施工過程中沉淀的成果，避免了數據采集的花費。

       1.人工建模

       三維模型的人工建模分為幾何網格生產和紋理貼圖生產兩部分：（1）幾何網格數據以CAD竣工圖為基礎底板在3d Max進行人工建模；（2）通過遙感影像、街景以及現場照片實拍等手段進行表面紋理的采集，通過對上述兩個生產過程的標準化從而形成滿足工業(yè)化需求的標準工藝，大致的內容如下：

        細節(jié)建模表現：對地理要素主體結構、細部結構進行精細幾何建模表現，外立面紋理通常采用能精確反映物體色調、飽和度、明度等特征的影像或照片。

        主體建模表現：指僅對地理要素主體進行幾何建模表現，植被、柵欄欄桿等模型僅用單面片、十字片或者多面片的方式表示，外立面無紋理（白模），或采用能基本反映物體色調、飽和度、明度等特征的影像或者照片紋理，或紋理庫中紋理圖像。

        符號表現：指用三維模型符號庫中預先制作模型符號來表現地理要素，該模型符號僅有位置、角度、尺寸及長寬高比例可以改變。

       人工建模的模型在建模的過程中就隱式地完成了單體化，對于應用層是比較友好，不需要做額外的處理，缺點大規(guī)模建模代價比較高，不太適更新比較頻繁的場景，目前這種方式比較適合小范圍的三維建設，比如社區(qū)和園區(qū)，面積范圍在1-2平方公里左右。

       2.傾斜攝影建模

       傾斜建模它通過攝影測量原理，可以將多種源數據、分辨率、任意數據量的照片轉化為高分辨率的、帶有圖像紋理的三維網格模型。具體來說，它通過對獲得的相片數據進行同名點選取、多視匹配、三角網（TIN）構建、自動賦予紋理等步驟，最終得到三維模型。

       傾斜攝影建模包含三重含義：（1）無人機；（2）傾斜攝影；（3）三維重建。傾斜攝影三維模型的質量取決于兩個因素：一是影像質量，具體指影像地面分辨率和清晰度，二是照片數量，具體指對同一區(qū)域的照片覆蓋度。從實際建模的效果來看，要獲得完整清晰、可供高精度測量的三維模型，建筑去傾斜影像的分辨率要達到2~3厘米，一般地區(qū)要達到5~6厘米，照片平局覆蓋度要達到30度重疊以上。

在無人機的選擇方面有多旋翼和固定翼兩種，固定翼推薦八旋翼，穩(wěn)定性較高，降低墜機的風險；目前無人機市場的明星產品大疆精靈Phantom 4 RTK也是屬于多旋翼類型；固定翼飛行效率高，比較適合大面的三維建模，但是購買和保養(yǎng)成本都比較高。

       傾斜攝影野外作業(yè)比較關鍵的就是航線規(guī)劃設定，傾斜飛行需要設定的包括高度、速度、拍攝間隔、航向間距、旁向間距等，不同的參數設置對航測的精度、效率等產生影響。航測作業(yè)前，綜合考慮飛控距離、電池消耗、地形地貌、建筑物分布、測量精度等因素，使用地面站軟件進行航線規(guī)劃和參數設定，飛行高度、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關系。

        三維重建階段多采用Smart3D、Photoscan、Pix4D進行自動化進行三維模型構建，軟件建模對象為靜態(tài)物體，輔以相機傳感器屬性、照片位置姿態(tài)參數、控制點等信息，在進行空中三角測量計算、模型重建計算后，輸出相應GIS成果，以供瀏覽或后期加工。常見的輸出格式包括OSGB、OBJ、S3C、3MX等，對于效果不理想的可以通過交換格式導入到其他系統(tǒng)中進行模型整飾，比如3d Max。

        3.BIM

        BIM模型的意義在于適度的整合建筑核心量體的所有信息。其運用的范圍在于全生命周期的各階段，核心量體的BIM模型能夠作為所有運用的基礎，在個個階段中上載與下載各種不同的建筑信息，提供最完整的服務。BIM模型，包括量體、系統(tǒng)與組件等內容，在設計的不同階段中結合至核心量體上提供討論，在施工的不同階段提供施工的依循、設備安裝的參考，在竣工階段確認設計與現場的吻合與調整，進而在完工時提交維運廠商進行后續(xù)營運階段應用。它于傳統(tǒng)的三維模型不同，傳統(tǒng)的三維模型一般制作表面或者樓層的室內，但是BIM深入到了每個構建，詳細的描述了建筑物的所有施工構建，BIM與表面三維模型之間并無可替代性，而是更傾向于一種互補關系。把微觀領域的BIM信息和宏觀領域的表面模型進行交換和結合，形成更豐富的數據體系。

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        三維平臺化

        三維數據采集和模型構建結束后，三維數據便進入到了數據應用環(huán)節(jié)，這塊通常使用GIS平臺對三維數據進行單體化和服務化處理，單體化保證了三維數據的要素化，從而能夠進行屬性掛接；而服務化則保證了三維模型和屬性服務能夠在Web端進行共享使用。

        1.單體化

       通過模型單體化處理，相當于為傾斜攝影模型“綁定”位置匹配的矢量面數據，服務平臺會將這部分面的信息固定到模型數據中，這樣前端在進行模型點擊的時候，就可以知道要將哪一塊的模型進行高亮。

        2.服務化

        目前在GIS行業(yè)對于三維服務方面有三個主流的三維服務的格式：（1）ESRI的I3S；（2）SuperMap的S3M；（3）Cesium的3D Tiles；值得一說的是這三種格式均是開源格式，也有相應的軟件平臺能夠支持自有格式，有一段時間他們都在爭取能夠成為事實的行業(yè)標準，目前ESRI的I3S力壓其他兩家，已經被采納為OGC的標準格式。這三種格式其實大同小異，都是有一個json格式的元數據文件描述了瓦片的組織規(guī)則，一般使用的是八叉樹規(guī)則，前端加載的時候會首先加載這個元文件，根據場景的變換動態(tài)調整瓦片的請求和場景數據的組織，保證前端數據的多層次瀏覽，每個瓦片又都基于gltf這種緊湊數據格式將組織文件存儲在json中，頂點文件存儲在二進制文件中，這樣一方面可以加速三維瓦片在網絡上的傳輸，同時也方便前端webgl的解譯。

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       三維應用

       目前三維的應用主要集中分布在園區(qū)和社區(qū)管理類型的基層管理單元，包括智慧警務室和智慧園區(qū)，這個級別的應用建設成本較低，周期短，一般為一到兩個月，同時建設成效比較好，能夠在一個系統(tǒng)中組織所有的要素信息，包括企業(yè)、人員、物聯(lián)設備。通過這種全要素的系統(tǒng)展示和數據集成，打通從數據匯集、數據展示、協(xié)同處置與智能決策的管理鏈路，從而構建一個智慧的數字管理單元。

       在系統(tǒng)架構上總的來說可以分為感知層、數據層、平臺層以及業(yè)務員層，在感知層中就是需要能夠對接各類傳感器的信息，比如攝像頭、人臉識別、車輛識別、Wifi探針、煙感、地磁等，這一類的對接相對比較麻煩必須適配各類型的廠商，對于?？?、大華這類視頻廠商這類比較簡單，因為他們有標準化的平臺和符合行業(yè)標準的接口，對于一些非規(guī)上企業(yè)的產品對接起來就需要適配單獨的協(xié)議了。物聯(lián)設備的結構化數據和需要對接的業(yè)務系統(tǒng)的數據都需要匯聚到應用的數據層，形成一

       個統(tǒng)一的數據倉庫，透明的向上層服務。在平臺層應用層通過構建三維信息平臺和全要素管理中臺實現業(yè)務數據和三維數據的集成掛接，進而實現要素的全生命周期的管理，保證系統(tǒng)數據的鮮活。通過平臺搭建的大地圖“底板”，在應用層就可以根據建設的要求進行數據的全景展示，應用服務構建以及專題的研判分析等。